項(xiàng)錦欣

（重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400054）

有機(jī)食品穩(wěn)定同位素溯源技術(shù)研究進(jìn)展

項(xiàng)錦欣

（重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400054）

有機(jī)食品有效追溯技術(shù)的缺失給有機(jī)食品市場監(jiān)管帶來巨大困難。穩(wěn)定同位素豐度作為食品生長環(huán)境（土壤、水、大氣、肥料、飼料等）的“自然指紋”的特性使其近期在有機(jī)食品追溯中受到極大關(guān)注。作者在查閱大量有關(guān)穩(wěn)定同位素溯源有機(jī)食品的相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，綜述了穩(wěn)定同位素的概念、用于有機(jī)食品溯源的原理以及在植物性和動(dòng)物性有機(jī)食品溯源中的應(yīng)用情況。最后，就當(dāng)前穩(wěn)定同位素溯源技術(shù)的局限性提出了今后的研究方向。

穩(wěn)定同位素豐度；有機(jī)食品；溯源；應(yīng)用

近年來，有機(jī)食品的需求量日益增加，市場行情看好。但由于目前缺乏有效可靠的有機(jī)食品鑒別方法[1]，使有機(jī)食品的市場監(jiān)管成為一大難題。食品市場上普通食品冒充有機(jī)食品的情況時(shí)有出現(xiàn)，全球有機(jī)食品欺詐案件時(shí)有發(fā)生。因此，為維護(hù)有機(jī)食品的市場秩序、保障消費(fèi)者利益，迫切需要一種能有效區(qū)別有機(jī)食品與普通食品的方法。雖然穩(wěn)定同位素技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用歷史已有20多年[2-4]，但將其應(yīng)用于食品身份鑒定的研究才剛剛起步。穩(wěn)定同位素技術(shù)不僅能判斷食品產(chǎn)地來源、追溯食品污染源、鑒別食品摻假、示蹤農(nóng)獸藥等在生物體內(nèi)吸收、代謝和分布等規(guī)律[5]，還能有效追溯與鑒別有機(jī)食品與普通食品。為推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)在我國的發(fā)展，作者在廣泛查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對穩(wěn)定同位素技術(shù)在有機(jī)食品溯源中的研究和應(yīng)用概況進(jìn)行了綜述。

1 穩(wěn)定同位素

將質(zhì)子數(shù)相同、中子數(shù)不同的具有相同原子序列的物質(zhì)稱為同位素。根據(jù)同位素的穩(wěn)定性將其分為放射性同位素和穩(wěn)定同位素[6]。放射性同位素又稱為放射性核素，因原子核“衰變”而不間斷地自發(fā)釋放出α射線、β射線或γ 射線，直至變成另一種穩(wěn)定同位素。通常用半衰期表示放射性核素衰變速度。穩(wěn)定同位素半衰期顯著長于放射性核素，常見的穩(wěn)定同位素主要有2H、13C、15N、18O、34S等，無放射性，不會(huì)造成二次污染，在制備、合成、使用過程中無需特殊防護(hù)，可以安全操作[7]。

2 穩(wěn)定同位素技術(shù)基本原理

生物體與其外界生長環(huán)境發(fā)生著廣泛的物質(zhì)交換，并直接影響著生物體內(nèi)的代謝類型。同位素在生物體內(nèi)累積的種類與數(shù)量直接決定于生物品種及其生存環(huán)境（土壤、水、大氣、肥料、飼料等）。將環(huán)境因素對生物體同位素組成與豐度的影響稱為同位素自然分餾效應(yīng)。因此，根據(jù)生物體同位素自然分餾的結(jié)果實(shí)際上是生物體所處環(huán)境的“自然指紋”[8-9]，根據(jù)其可判斷生物體的生長環(huán)境并對其進(jìn)行溯源。另外，生物體內(nèi)穩(wěn)定同位素的種類及分布狀態(tài)隨加工、貯藏等變化的幅度很小，是食品原料種（養(yǎng)）環(huán)境條件的忠實(shí)反映者。借此，可對有機(jī)食品與普通食品進(jìn)行身份鑒別。

3 穩(wěn)定同位素技術(shù)在有機(jī)食品溯源中的應(yīng)用

3.1 穩(wěn)定同位素技術(shù)在植物性有機(jī)食品溯源中的應(yīng)用

穩(wěn)定同位素技術(shù)在區(qū)別植物性有機(jī)食品與普通食品時(shí)，主要依據(jù)植物生長過程中氮營養(yǎng)素的來源進(jìn)行判斷，常以15N/14N比率（即δ15N）為判定指標(biāo)。植物性有機(jī)食品的栽培不允許使用合成氮肥，只能使用有機(jī)肥料。研究發(fā)現(xiàn)合成氮肥的δ15N值接近于零[10-11]，而有機(jī)肥料（動(dòng)物糞便、作物綠肥等）的δ15N值則較高[12]。因此，同位素分餾結(jié)果使植物性有機(jī)食品的δ15N值顯著高于普通食品[13]。施用合成肥料植物的δ15N值（5.8‰）比施用生物堆肥的植物（8.8‰）低[14-15]。但需要指出的是植物老葉和果實(shí)的δ15N值對肥料種類的依賴性最高[16]，而不同種類植物的δ15N值對肥料種類的敏感型差異很大[17]。常見有機(jī)與普通蔬菜的穩(wěn)定同位素豐度及差異狀況見表1。

表1 常見植物性食品的穩(wěn)定同位素豐度Table 1 The abundance of stable isotopes in common plant foods

3.1.1 蔬菜

Rogers[18]發(fā)現(xiàn)有機(jī)生菜、卷心菜、洋蔥和大白菜的δ34S值和δ18O值與普通產(chǎn)品無明顯差異，而其δ15N值和δ13C值則分別顯著高于和低于普通產(chǎn)品。Camin等[19]報(bào)道有機(jī)馬鈴薯的δ15N值（7.17‰）明顯高于普通產(chǎn)品（3.36‰），以δ15N值4.3‰為閾值鑒別有機(jī)馬鈴薯的假陽性率為15%。Sturm等[20]利用δ15N值成功鑒別了有機(jī)韭菜和有機(jī)馬鈴薯，但無法鑒別有機(jī)番茄、甜辣椒、大蒜、洋蔥和胡蘿卜等產(chǎn)品。Bateman等[21]利用δ15N值成功鑒別了有機(jī)番茄和有機(jī)生菜，但無法鑒別有機(jī)胡蘿卜。而Kelly等[22]則發(fā)現(xiàn)用δ15N值只能鑒別有機(jī)番茄，無法鑒別有機(jī)生菜。Schmidt等[23]發(fā)現(xiàn)有機(jī)種植番茄的δ15N值（7‰）顯著高于普通種植（約0‰）。Georgi等[24]發(fā)現(xiàn)δ15N值在鑒別短生長期有機(jī)蔬菜（番茄、豌豆、花椰菜、黃瓜、西葫蘆等，生長期＜80 d）時(shí)比長生長期蔬菜（南瓜、茄子、馬鈴薯豆、玉米等，生長期＞80 d）更有效，前者有機(jī)產(chǎn)品的δ15N值明顯高于普通產(chǎn)品。Flores等[25]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)栽培的胡椒的葉與果實(shí)的δ15N值與普通產(chǎn)品之間差異顯著，但δ13C值無明顯差異。Mihailova等[26]發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥料的生菜、馬鈴薯和番茄的δ15NNO3值較施用合成氮肥的高，而其δ18ONO3值則明顯低于施用合成氮肥者；結(jié)合利用δ15NNO3值和δ18ONO3值是區(qū)分有機(jī)食品的良好辦法，鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確度可達(dá)84.8%。

3.1.2 水果

Rapisarda等[27]發(fā)現(xiàn)兩個(gè)品種有機(jī)橙子（Navelina和Taroco）果肉蛋白質(zhì)δ15N值（6.21‰和6.76‰）顯著高于普通產(chǎn)品（4.43‰和5.53‰），同樣有機(jī)產(chǎn)品果肉氨基酸δ15N值（5.67‰和6.15‰）顯著高于普通產(chǎn)品（4.39‰和5.09‰）。利用果肉中蛋白質(zhì)與氨基酸的δ15N值可使橙子有機(jī)產(chǎn)品的追溯準(zhǔn)確率達(dá)到90.63%。Rapisarda等[28]還應(yīng)用δ15N值鑒別了使用不同有機(jī)肥料的橙子（Valencia late），結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用柑橘副產(chǎn)物、牲畜糞便和家禽糞便堆肥的有機(jī)橙子果肉蛋白質(zhì)δ15N值顯著高于普通產(chǎn)品。Camin等[29]對2006—2008年產(chǎn)自意大利的橙子、克萊門氏小柑橘、草莓和桃子的研究發(fā)現(xiàn)果肉δ15N值可有效鑒別有機(jī)產(chǎn)品。但有機(jī)產(chǎn)品的δ15N值受生產(chǎn)年份、作物種類、品種的影響非常明顯。陳歷水等[30]研究發(fā)現(xiàn)結(jié)合黑加侖果實(shí)的δ13C值和δ15N值可實(shí)現(xiàn)對黑加侖果汁產(chǎn)地的有效溯源，準(zhǔn)確率可達(dá)到86.9%。

3.1.3 其他作物

目前有關(guān)研究利用穩(wěn)定同位素鑒別有機(jī)糧食作物的研究非常少。Laursen等[31]對來自嚴(yán)格控制種植條件的144塊實(shí)驗(yàn)田的有機(jī)小麥、大麥、蠶豆、馬鈴薯等的研究發(fā)現(xiàn)，利用δ15N值可成功鑒別作物種植時(shí)使用的肥料種類（有機(jī)或合成），但無法鑒別出有機(jī)產(chǎn)品，尤其對能進(jìn)行空氣固氮作用的豆類，δ15N值的鑒別效力非常有限。δ15N與δ18O結(jié)合利用可成功鑒別有機(jī)馬鈴薯，而δ15N與δ2H結(jié)合可用于有機(jī)小麥和大麥的鑒別。馮海強(qiáng)等[32]提出可以用茶葉中δ15N是否高于7‰作為判斷產(chǎn)品是否是有機(jī)茶的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 穩(wěn)定同位素技術(shù)在動(dòng)物性有機(jī)食品追溯中的應(yīng)用

目前主要基于動(dòng)物對不同飼草中穩(wěn)定同位素的蓄積差異性，利用穩(wěn)定同位素技術(shù)來追溯動(dòng)物的飼料來源、飼養(yǎng)方式等情況，以鑒定其產(chǎn)品是否為有機(jī)產(chǎn)品。其依據(jù)主要是不同類型飼草的δ13C值不同，C3飼草（青草、干草、大豆等）的δ13C值較低，而C4飼草（玉米、高粱等）的δ13C值較高，景天酸代謝植物（仙人掌、鳳梨）的δ13C值居中。天然草場幾乎都為C3植物，因此有機(jī)方式飼養(yǎng)的動(dòng)物產(chǎn)品的δ13C值較普通產(chǎn)品更低。常見有機(jī)與普通動(dòng)物性食品穩(wěn)定同位素豐度及差異情況見表2。

表2 常見動(dòng)物性食品的穩(wěn)定同位素豐度Table 2 The abundance of stable isotopes in common animal foods

3.2.1 肉

對有機(jī)肉的溯源主要基于肉的δ13C值和肉中蛋白質(zhì)的δ15N值來實(shí)現(xiàn)。Piasentier等[33]研究發(fā)現(xiàn)利用羔羊肉脂肪δ13C值和蛋白質(zhì)δ13C值和δ15N值很難區(qū)別有機(jī)羊肉與普通羊肉產(chǎn)品，但可利用δ15N值區(qū)別在相同飼養(yǎng)模式下不同的羊肉品種。Boner等[34]的研究表明δ13C值在鑒別來自德國的有機(jī)牛肉時(shí)非常有效，并認(rèn)為有機(jī)牛肉產(chǎn)品的δ13C值應(yīng)低于-20‰。Schmidt等[35]研究發(fā)現(xiàn)愛爾蘭有機(jī)牛肉的δ13C值（-26.0‰）較普通牛肉（-24.5‰）低，而δ15N值（7.8‰）和δ34S值（7.9‰）較普通牛肉（分別為6.6‰、7.2‰）高。Bahar等[36]則發(fā)現(xiàn)有機(jī)牛肉的δ13C值較穩(wěn)定，而普通牛肉的δ13C值則隨生產(chǎn)季節(jié)變化。王慧文等[37]研究發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)雞肉粗蛋白的δ13C值來推斷肉雞飼料的主要成分，溯源其是否為有機(jī)產(chǎn)品。郭波莉等[38]研究發(fā)現(xiàn)牛組織中δ13C值可預(yù)測其膳食中C4植物所占的比例，δ15N值可區(qū)分牧區(qū)與農(nóng)區(qū)喂養(yǎng)的牛；δ13C指標(biāo)對牛肉產(chǎn)地來源的正確判別率高于δ15N指標(biāo)，兩項(xiàng)指標(biāo)相互補(bǔ)充可顯著提高產(chǎn)地來源的正確判別率。

3.2.2 奶

牛奶中的穩(wěn)定同位素比率主要由奶牛的飼料決定。用青草等有機(jī)喂養(yǎng)的奶牛所產(chǎn)牛奶的δ13C豐度比用玉米[39]或其他農(nóng)作物[40]喂養(yǎng)的奶牛所產(chǎn)牛奶的δ13C值低。Molkentin等[41]經(jīng)周年采樣分析后發(fā)現(xiàn)牛奶的δ13C值變化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有機(jī)牛奶δ13C值的最大值（-28‰）低于普通市售牛奶δ13C值的最小值（-26.6‰）。Molkentin等[42]隨后利用δ13C值＞-26.6‰為普通牛奶的判定標(biāo)準(zhǔn)對來自3 個(gè)有機(jī)農(nóng)場、3 個(gè)普通農(nóng)場的268 種零售牛奶追溯后發(fā)現(xiàn)，此標(biāo)準(zhǔn)對普通牛奶判定準(zhǔn)確率達(dá)到了99%。該小組進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)牛奶與普通牛奶的δ34S值無顯著差異，但有機(jī)牛奶的δ13C值變化在-27.03‰到-23.75‰之間，而普通牛奶的δ13C值為-23.29‰到-21.16‰[43]。據(jù)此，他們提出利用蛋白質(zhì)的δ13C值或δ15N值可成功區(qū)別有機(jī)牛奶與普通牛奶，判定的δ13C值或δ15N值的閾值分別為-23.50‰和5.50‰。

3.2.3 蛋

蛋殼的同位素組成可以提供母雞的飼養(yǎng)條件、圈舍情況等信息。飼料喂養(yǎng)的雞所產(chǎn)雞蛋的δ15N值普遍較低，而有機(jī)養(yǎng)殖的雞所產(chǎn)雞蛋δ15N值較高。一般來說，主要食用C3植物的雞所產(chǎn)的雞蛋的δ13C值較低，而商業(yè)化養(yǎng)殖的雞所產(chǎn)雞蛋的δ13C值則較高。Rogers等[44]研究了18 種籠養(yǎng)、倉谷飼養(yǎng)、自由飼養(yǎng)和有機(jī)飼養(yǎng)的雞所產(chǎn)雞蛋的蛋黃、蛋白和蛋膜的δ15N值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與籠養(yǎng)和倉谷飼養(yǎng)相比，自由放養(yǎng)和有機(jī)飼養(yǎng)的雞所產(chǎn)的雞蛋的蛋黃、蛋白和蛋膜的δ15N值更高。但是，由于部分有機(jī)產(chǎn)品的δ15N值與普通產(chǎn)品重疊，僅根據(jù)δ15N值無法完全區(qū)別開有機(jī)蛋與普通蛋。

4 結(jié) 語

目前，穩(wěn)定同位素溯源技術(shù)已被證明是鑒別植物性和動(dòng)物性有機(jī)食品的一個(gè)好方法，但它仍有一定的局限性。首先，有些有機(jī)產(chǎn)品與普通產(chǎn)品的某種同位素相比沒有顯著差異，在此情況下，穩(wěn)定同位素溯源技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對有機(jī)產(chǎn)品的鑒別；其次，對于同一種食物的有機(jī)產(chǎn)品，產(chǎn)地對其同種穩(wěn)定同位素豐度的影響仍存在很大差異，這將導(dǎo)致無法建立穩(wěn)定同位素溯源技術(shù)鑒別有機(jī)產(chǎn)品的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；還有，若有機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中使用少量的合成化肥或強(qiáng)化飼料，穩(wěn)定同位素技術(shù)也難以鑒別。為進(jìn)一步加強(qiáng)穩(wěn)定同位素技術(shù)對有機(jī)產(chǎn)品追溯的有效性和準(zhǔn)確性，需從以下方面進(jìn)一步加強(qiáng)研究：1）在更大、更廣的范圍內(nèi)對穩(wěn)定同位素豐度與有機(jī)產(chǎn)品的種類（養(yǎng)）模式的關(guān)系進(jìn)行研究，尋找更為科學(xué)合理的限值；2）研究食物組成成分的穩(wěn)定同位素豐度，以建立基于組分穩(wěn)定同位素豐度的有機(jī)產(chǎn)品追溯技術(shù)；3）研究多種穩(wěn)定同位素聯(lián)合用于有機(jī)產(chǎn)品鑒別與追溯的可行性，及其相關(guān)方法與技術(shù)體系的建立；4）開發(fā)天然穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜法與其他方法（如近紅外光譜法）聯(lián)合的有機(jī)產(chǎn)品追溯技術(shù)。

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A Review of the Application of Stable Isotope Technology to Traceability of Organic Foods

XIANG Jin-xin
(School of Chemical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

The lack of effective methods for tracing organic foods brought about a lot of difficulties in inspecting and governing the market of organic foods. Because the abundance of stable isotopes provides a natural fingerprint for foodproducing environment (soil, water, air, fertilizer, feed, etc.), stable isotope technology has attracted much attention for its application in tracing organic foods. This article summarizes an extensive review of the available literature regarding the concept of stable isotope as well as the principle and applications of stable isotope technology in tracing organic plant foods (vegetables, fruits and cereals) and organic animal foods (meat, milk and egg). In addition, the limitation and future research directions of this technology in tracing organic foods are proposed in the present work.

stable isotope abundance; organic food; traceability; application

TS207.3

A

1002-6630（2014）15-0345-04

10.7506/spkx1002-6630-201415067

2014-04-04

項(xiàng)錦欣（1973—），女，講師，碩士，研究方向?yàn)槭称钒踩-mail：513769306@qq.com